傳熱學-第8章-熱輻射基本定律和輻射特性.ppt

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傳 熱 學第8章 熱輻射基本定律和輻射特性第8章 熱輻射基本定律和輻射特性內容要求掌握熱輻射的基本概念;掌握黑體,黑體輻射的基本定律;固體和液體的輻射特性;實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系;太陽輻射。 8-1 熱輻射現象的基本概念 8.1.1 熱輻射 1. 輻射:是指物體受到某種因素的激發而向外發射 輻射能的現象。 受熱,電子碰撞, 光照,化學反應等。 2. 熱輻射:物體由于受熱而向外發射輻射能的現象。3. 輻射換熱(radiation heat transfer) 物體間以輻射方式進行的包含 輻射與吸收過程綜合結果的熱量 傳遞過程。 兩物體溫度不同時,高溫物體失去熱量; 兩物體溫度相同時,輻射換熱量為零。(2)所有溫度大于 0K 的實際物體都具有發射 熱輻射的能力。(3)熱輻射過程中不僅有能量的傳遞, 而且有能量形式的轉化。(1)可以不依靠中間媒介,在真空中傳播。熱力學能熱力學能輻射能4. 熱輻射的特點2. 熱輻射的波長范圍 理論上 ? :0— ? 整個波譜; 日常生活, 工業上常見的溫度范圍(太陽輻射) ? :0.1— 100 μm, 包括部分紫外線,可見光,部分紅外線; 工業上常見溫度范圍T≤2000K時: ? :0.76— 10 μm 8.1.2 從電磁波的角度描述熱輻射的特性 1. 傳播速率與波長,頻率間的關系3. 物體表面對熱輻射的作用 投入輻射Q: 單位時間投射到單位面積物體表面上 全部波長范圍內的輻射能。W/m2 根據能量守恒:或:(1) 吸收比,反射比和透過比 吸收比α,反射比ρ,透過比τ(2)不同物體表面的輻射特性 熱輻射投射到固體,液體表面上: 漫射表面:漫反射和漫發射 熱輻射投射到氣體表面上:容積性鏡反射 (Specular reflection)漫反射 (Diffuse reflection)表面性(3)固體表面的兩種反射現象 主要取決于固體表面不平整尺寸 的大?。ū砻娲植诙龋?。8.1.3 黑體,鏡體和絕對透明體1. 絕對黑體(黑體):2. 鏡體(白體):3. 絕對透明體: 白雪 : (接近黑體); 白布,黑布吸收比基本相同; 玻璃可透過可見光,對紅外線幾乎不透過。 例如黑體,白體不同于黑色物體,白色物體。區別黑體吸收和發射輻射能的能力最強 8.2 黑體輻射的基本定律 黑體輻射的基本定律: 斯忒藩-波耳茲曼定律, 普朗特定律, 蘭貝特定律。 8.2.1 斯忒藩-波耳茲曼定律1. 輻射力 (Emissive power) 單位時間單位面積物體表面向半球空間的所有 方向輻射出去的全部波長范圍內的輻射能量,稱 為該物體表面的輻射力。E,W/m2 對黑體輻射: 2. 斯忒藩-波耳茲曼定律 1879年斯忒藩(實驗),1884年波耳茲曼(理論)確定了黑體的 Eb與 T的關系。式中: – 黑體輻射常數另一種形式:式中: C0 – 黑體輻射系數舉例計算黑體表面溫度為27℃ 和627℃時的輻射力 Eb。解:黑體表面溫度為27℃時:黑體表面溫度為627℃時:分析說明高溫和低溫兩種情況下,黑體的輻射能力有明顯的差別。 8.2.2 普朗克定律1. 光譜輻射力 (Emissive power) 單位時間單位面積物體表面向半球空間的所有 方向輻射出去的包含波長λ在內的單位波長的輻 射能量,稱為該物體表面的光譜輻射力。 Eλ,W/m2.μm 1900年,普朗特確定黑體輻射的光譜分布規律。 2. 普朗特定律 對黑體輻射:3. 不同溫度下黑體的光譜輻射力隨波長的變化: T一定時, λ一定時, 隨T的升高,Ebλ,max對應 的波長λm向短波遷移。4. 維恩位移定律光譜輻射力為 Ebλ,max時,λm和 T 之間的關系??傻?并且:當溫度不變時:推導舉例計算溫度分別為2000K 和5800K的黑體與Ebλ,max對應的λm。解:由維恩位移公式:說明 工業上一般高溫范圍(2000K以下)時, 與Ebλ,max對應的λm位于紅外線區段; 溫度近于太陽表面溫度(5800K)時, 與Ebλ,max對應的λm位于可見光區段。5. 波段內黑體輻射力:實際問題: 引入輻射比其中: 為黑體輻射函數(表8-1) 則波段內黑體輻射力: 8.2.3 蘭貝特定律 1. 立體角球面度 對整個半球: 對微元立體角: 2. 定向輻射強度(輻射強度) 物體單位時間單位可見輻射面積單位立體角 內發出的輻射能量。 對各向同性物體表面: 3. 定向輻射力 單位時間單位面積物體表面向某個方向發射 單位立體角內的輻射能, 稱為該物體表面在該 方向上的定向輻射力。Eθ,W/(m2.sr) 4. 蘭貝特定律 黑體的定向輻射強度與方向無關,即半球空間各方向上的輻射強度都相等。 即是: 定向輻射力與定向輻射強度的關系: 輻射力與定向輻射強度的關系: 適用于:黑體漫發射體 8.3 固體和液體的輻射特性 8.3.1 實際物體的輻射力 1. 實際物體的發射率(黑度) 2. 實際物體的輻射力:反映了物體發射輻射能量的能力。說明 因此:8.3.2 實際物體的光譜輻射力 1. 實際物體的光譜輻射力 實際物體的光譜輻射力隨波長做不規則變化。 2. 實際物體的光譜發射率 8.3.3 實際物體的定向輻射強度 1. 實際物體的定向發射率 2. 定向發射率隨θ角的變化規律 (1)黑體和漫發射體 (2)金屬 (3)非金屬 對大部分工程材料, 定向發射率可視為常數, 可視為漫發射體。 物體的種類; 物體的表面溫度; 物體的表面狀況。只取決于物體自身特性實驗測定8.3.4 影響物體發射率的因素 種類:常溫下,白色大理石0.95, 鍍鋅鐵皮0.23; 溫度:氧化的鋁表面 50℃,ε=0.2, 500℃,ε=0.3; 表面狀況:無光澤黃銅0.22,磨光黃銅0.05; 非金屬材料較高0.85~0.95, 且與表面顏色無關。 例如 8.4 實際物體對輻射能的吸收與輻射 8.4.1 實際物體的吸收比 1. 物體的吸收比: 物體對投入輻射所吸收的百分數。 吸收比取決于兩方面因素:物體的種類,溫度和表面性質 吸收物體的本身狀況 投入輻射的特性 2. 物體的光譜吸收比: 物體對某一特定波長輻射能吸收的百分數。3. 實際物體的光譜吸收比對波長具有選擇性白瓷磚玻璃可見光, 紅外線, 很小,近乎透明體;紫外線, 紅外線, ,表現不透明性。溫室效應白漆和黑漆 物體的顏色對可見光呈 強烈選擇性; 但對紅外線的吸收率均 為0.9左右。 8.4.2 灰體的概念 1. 灰體:光譜輻射特性與波長無關的物體。大多數工程材料 可作灰體處理說明 灰體和黑體一樣,也是一種理想物體; 灰體的 與波長無關,只取決于本身特性, 與外界投射輻射無關; 就發射和吸收的規律而言,灰體和黑體完全相同, 在數量上體現了百分比關系。 1860年,基爾霍夫揭示了物體吸收輻射能的 能力和發射輻射能的能力之間的關系。結論 同一溫度下,吸收輻射能力愈強的物體, 發射輻射能的能力也愈強。 對于灰體: 同一溫度下,黑體的輻射能力最強。不適于太陽輻射的吸收。 8.4.3 基爾霍夫定律 熱平衡時,任意物體對黑體投入輻射的吸收比等于 同溫度下該物體的發射率。
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